泵站进水池数值模拟优化设计分析

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摘要：进水池对水泵进水流态影响较大。利用CFD软件，对某河口泵站进水池进行三维数值模拟计算。受场地制约，通过对比不同尺寸下进水池流量分布的均匀性、静压分布和流态分布，分析各方向尺寸变化对进水水流的影响。结果表明：将方形进水池改为收缩式、减少进水池宽度收缩角、消除进水池高度方向棱角，均可改善进水池流态分布，减小流量偏差比，并减少回流面积，共降低水头损失0.25m，给泵站进水池设计提供支持。

关键词：进水池；尺寸；优化；数值模拟

引言

泵站进水前池是连接引渠与水泵进水流道的重要水工建筑物，其形状和尺寸不仅关系水泵进水流态，对泵站的投资和管理运行也带来较大影响。在水泵机组较多的情况下，为保证池中有较好的流态，需要增加池长，从而导致工程量和占地面积的增加。而某河口泵站受场地制约，引水箱涵及进水池空间有限，需对拟定的进水池布置方案进行优化设计，改善流态分布，减少水力损失。近年来，已有许多研究人员采用数值模拟或水工模型试验[1-4]对泵站进水池进行研究，并提出许多流态改善的措施。本文针对该工程空间尺寸受限及箱涵引水的特点，采用CFD技术，将与进水池连接的引水箱涵及进水流道整体进行数值模拟计算，对不同尺寸及形状下的进水池进行流量分布均匀性、静压分布和内部流态分析，对泵站进水池设计提供支持。

一、数值计算方法

1．计算模型某泵站排涝规模约235m3/s，拟设计采用四台斜式轴流泵，引水箱涵采用顶管施工。泵站进水池非开敞式，故不考虑自由液面对进水池的影响。如图1所示，为包含引水箱涵、进水池及进水流道的泵站进水侧流道数值模拟计算模型。2．计算区域及网格对泵站进水侧流道进行研究，计算区域包含进水池及泵装置进水流道。计算区域的边界由固体边壁、进水池进口端面和泵装置进水流道出口断面组成。进水侧上方结构较为简单，采用六面体网格划分，泵装置进水流道为圆方渐变结构，故采用以四面体为主的混合网格划分。网格总数在200~250万之间，网格质量满足计算要求。3．湍流模型及边界条件采用CFD软件对水泵进水池前管道、进水池及泵段进水流道模拟计算。考虑到水池及水泵进水流道内部流动为三维不可压缩黏性流体流动，数值计算采用连续性方程和N-S方程为控制方程[5]，采用Spalart-Allmaras[6]单方程模型为湍流数值模拟方法。采用二阶迎风格式，隐式求解。利用SIMPLEC算法实现压力和速度耦合。进口边界条件采用速度进口条件，在进水池进口面处，给定流速值。出口条件采用压力出口条件，在泵装置进水流道出口处，给定压力值。在临近固壁的区域采用了标准壁面函数，固壁面采用无滑移边界条件。

二、优化设计及分析

1．长度方向尺寸优化由于常规设计中进水池为方形，对水流影响较大，将其直角部分切割，并建立三种不同长度及倾斜角的进水池，进行CFD模拟计算，对应的泵站进水侧流道示意图如图3所示。（1）流量偏差长度方向不同尺寸时进水侧流道数值模拟计算结果，如表1所示。这四个方案计算工况下，流道总流量一致，均接近于235m3/s，满足设计要求。水头损失是是衡量流道性能的重要指标。从原方案至方案四，水头损失及流量偏差比依次降低，其中由原方案至方案二，由方案三至方案四时，降低幅度较大，说明沿长度方向尺寸的变化对进水池水力性能影响较大。（2）静压分布图3为长度方向不同尺寸时进水侧流道静压分布图。由图可见，进水池上方靠泵侧均有局部高压，说明水流对进水池的冲击主要集中在此处。方案二至方案四中，进水池下方处压力面有高压，这主要是因为由于重力作用，水流在水池底部压强较大。（3）流线分布图图4为沿长度方向不同尺寸泵站进水侧各方案的流线分布图。由图可见，进水口处流态平稳，泵装置出水流道处，由于面积较小，流速增大。整体来看，原方案中流态最为混乱，回流面积最大，原方案至方案四，回流面积依次减少，但仍有较大面积的回流现象。2．宽度方向尺寸优化由于方案四中水流在水平方向仍有较大面积的回流及漩涡现象，为进一步减少回流情况，在宽度方向建立两种不同倾斜角的进水池，方案五在方案四的基础上，将进水池收缩倾角减小，方案六在方案五的基础上，收缩过渡段做成喇叭状，不同方案泵站进水侧流道示意图如图5所示。（1）计算结果宽度方向不同尺寸时进水侧流道数值模拟计算结果，如表2所示。各方案水头损失相差不大，其中，方案五水头损失最小、流量偏差比最小，说明其进入四个泵装置进水流道的流量较为均匀。（2）流速分布图图6为宽度方向不同尺寸进水侧流道流速分布图。由图可见，方案五与方案六较方案四，在水平面上的回流面积有大幅减少；而方案六中，由于喇叭状收缩段，产生脱流现象，从而导致水力损失的增大。3．高度方向尺寸优化由于方案五中水流在进水池下方回流面积较大，为进一步减弱回流，减小水头损失，在高度方向建立两种不同倾斜角的进水池。方案七在方案五的基础上，在进水池靠泵侧上方使过渡更加平滑；方案八在方案七的基础上，在进水池靠进口侧下方使过渡更加平滑，不同方案泵站进水侧流道示意图如图7所示。（1）计算结果宽度方向不同尺寸时进水侧流道数值模拟计算结果，如表2.3所示。各方案水头损失依次减小，其中，方案八水头损失最小。另外，各方案的流量偏差比相差较小，方案七流量偏差比最小，说明其进入四个泵装置进水流道的流量最为均匀。（2）流速分布图图8为沿高度方向不同尺寸泵站进水侧各方案的流速分布图。由图可见，高度方向尺寸的优化可减少竖直方向上回流面积，方案七中基本消除了方案五中进水池上方靠泵侧的小面积回流情况，且进水池下方的回流面积也有减小；而方案八中进水池下方的面积最小，这与其水头损失最小相吻合。考虑施工方便等因素，综合考虑推荐采用方案七。

三、结论

（1）改变进水池长度方向尺寸，将方形进水池改为收缩式，可明显改善进水侧流道流态分布，降低水头损失，减少流量偏差比，并减小回流面积。（2）减少进水池宽度收缩角，可进一步小幅改善进水侧流道流态分布，并说明，收缩角较小时对水流的影响较小，喇叭状的收缩角不如直线型收缩角。（3）进水池高度方向棱角平滑后，可使进水池在竖直方向的回流区减小，可小幅改善进水侧流道流态分布，降低水头损失，并减小回流面积。

参考文献

[1]陶东，周冬蒙，刘子金.基于Realizablek-ε湍流模型的泵站进水池水流流态研究[J].人民黄河，2020，42（11）：27-30+47.

[2]吴东恒，顾春雨，杨晓红等.多机组泵站复合前池水流流动数值模拟研究[J].江苏水利，2017，（8）：48-51.

[3]丁兆利.城市排水泵站进水前池水力特性数值模拟研究[J].水利科技与经济，2018，24（6）：23-28.

[4]徐存东，王国霞，刘辉等.大型泵站正向前池防淤优化模拟研究[J].武汉大学学报（工学版），2018，51（7）：577-588.

[5]郑源，杨春霞，周大庆等.卧轴双转轮混流式水轮机的优化设计[J].排灌机械工程学报，2012，30（3）：341-345.

[6]周大庆，张蓝国，郑源等.基于脱体涡模型的竖井贯流式水轮机组压力脉动数值分析[J].水利水电科技进展，2013，33（3）：29-33.

作者：李玲玉 单位：上海友为工程设计有限公司